JP6167051B2 - Wind turbine blade, wind turbine rotor and wind power generator - Google Patents
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Description
本開示は、風車翼、風車ロータ及び風力発電装置に関する。 The present disclosure relates to a wind turbine blade, a wind turbine rotor, and a wind power generator.
近年、地球環境の保全の観点から、風力を利用した風力発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置は、風の運動エネルギーを風車翼とハブを含む風車ロータの回転エネルギーに変換し、さらにこの回転エネルギーを発電機にて電力に変換するようになっている。 In recent years, wind power generators using wind power have been spreading from the viewpoint of conservation of the global environment. The wind turbine generator converts wind kinetic energy into rotational energy of a wind turbine rotor including wind turbine blades and a hub, and further converts this rotational energy into electric power by a generator.
このような風力発電装置において、風車ロータは風の運動エネルギーを回転エネルギーに変換する役割を担っており、複数のブレードがハブに放射状に取り付けられた構成の風車ロータが多く普及している。風車ロータ全体としての効率(翼効率)の向上のために、従来から、様々な翼型が提案されている。 In such a wind turbine generator, the wind turbine rotor plays a role of converting wind kinetic energy into rotational energy, and many wind turbine rotors having a configuration in which a plurality of blades are radially attached to a hub are widely used. In order to improve the efficiency (blade efficiency) of the wind turbine rotor as a whole, various airfoil types have been conventionally proposed.
例えば、特許文献1には、コード長に沿った前縁からの距離が20%〜30%の範囲内で翼厚が最大となる翼型が開示されている。また、特許文献2には、翼根領域における代表的な翼厚比が24%、翼端側領域における代表的な翼厚比が21%、先端領域における代表的な翼厚比が16%に設定された構成が記載されている。また、特許文献3には、翼厚比が14%から45%の範囲で設計揚力係数が1.10〜1.25の範囲に設定された翼型が記載されている。
For example,
ところで、近年、風力発電装置は、低風速地域市場への適用性の向上や、経済性改善のための大容量化を実現するために大型化の傾向にあり、より大きなロータ直径に対応して風車翼の長翼化が進んでいる。風車翼の空力性能を維持したまま長翼化を実現するためには、風車翼の相似形状を維持しながら、風車翼を大型化することも考えられる。
ところが、単に風車翼を大型化するだけでは、風車翼の重量の著しい増大、風車翼の製造性の低下(例えば、成形用モールドへの樹脂含浸性の低下)、風車翼の輸送性の低下(風車翼の最大幅、即ち最大コード長による輸送性の制限)、及び、風力発電装置の運用性の低下(ブレードのピッチ制御時におけるタワー・ナセルとブレードとの干渉防止の必要性)といった問題が生じかねない。これらの問題は、風車翼の最大コード長が大きいほど、その影響が大きくなる。
そのため、風車翼の長翼化を実現するに際し、最大コード長に制約を課すことが必要である。
By the way, in recent years, wind power generators have tended to increase in size in order to improve applicability to the low wind speed area market and to increase the capacity for economic improvement. Wind turbine blades are becoming longer. In order to realize a long blade while maintaining the aerodynamic performance of the wind turbine blade, it is conceivable to increase the size of the wind turbine blade while maintaining the similar shape of the wind turbine blade.
However, simply increasing the size of the wind turbine blade significantly increases the weight of the wind turbine blade, decreases the manufacturability of the wind turbine blade (for example, decreases the resin impregnation property to the molding mold), and decreases the transport performance of the wind turbine blade ( There are problems such as the maximum width of the wind turbine blade, that is, the limitation of transportability due to the maximum cord length, and the deterioration of the operability of the wind turbine generator (necessity of preventing interference between the tower nacelle and the blade during blade pitch control). It can happen. These problems become more significant as the maximum cord length of the wind turbine blade increases.
For this reason, it is necessary to impose restrictions on the maximum cord length when realizing a longer wind turbine blade.
しかしながら、最適な空力性能を実現するためには、半径位置及び設計揚力係数の積に反比例する最適な大きさにコード長を近づける必要がある。そのため、上述のように最大コード長に制約を課すと、コード長が最適値に対して不足し、空力性能が低下するおそれがある。 However, in order to achieve optimum aerodynamic performance, it is necessary to bring the cord length close to the optimum size that is inversely proportional to the product of the radial position and the design lift coefficient. For this reason, if a restriction is imposed on the maximum code length as described above, the code length may be insufficient with respect to the optimum value, and aerodynamic performance may be deteriorated.
よって、近年の風車翼の長翼化傾向に鑑みれば、例えば特許文献1〜3に記載の従来の風車翼では最大コード長位置付近の翼長方向領域の設計揚力係数は十分と言えなくなっており、該領域における設計揚力係数のさらなる増大が望まれる。
Therefore, in view of the trend of longer wind turbine blades in recent years, for example, in the conventional wind turbine blades described in
本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、上述の事情に鑑み、最大コード長位置付近の翼長方向領域において高い設計揚力係数を実現可能な風車翼、風車ロータ及び風力発電装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, at least some embodiments of the present invention provide a wind turbine blade, a wind turbine rotor, and a wind turbine generator that can realize a high design lift coefficient in a blade length direction region near the maximum cord length position. Objective.
本発明の幾つかの実施形態にかかる風車翼は、
互いに対向する背面及び腹面を備える風車ロータ用の風車翼であって、
前記風車翼は、前記風車ロータの半径Rに対する前記風車ロータの半径方向位置rの比が0.1以上0.4以下となる前記風車翼の翼長方向領域内において、
前記背面と前記腹面との距離の最大値である最大翼厚tmaxに対する、コードから前記背面までの距離の最大値である背面最大厚みymaxの比によって表される第1無次元値ymax/tmaxが0.36以上0.46以下であり、且つ、前記背面最大厚みymaxに対する背面前方膨らみ量yfの比によって表される第2無次元値yf/ymaxが0.62以上0.76以下である(但し、前記背面前方膨らみ量yfは、前記背面最大厚みymaxを有する前記背面のコード方向位置を前縁から該コード方向位置までの距離xmaxで定義したとき、前記前縁からの距離が0.3xmaxのコード方向位置における前記コードから前記背面までの距離である)
翼型を有する
ことを特徴とする。
A wind turbine blade according to some embodiments of the present invention includes:
A wind turbine blade for a wind turbine rotor having a back surface and an abdominal surface facing each other,
The windmill blade is in a blade length direction region of the windmill blade where a ratio of a radial position r of the windmill rotor to a radius R of the windmill rotor is 0.1 or more and 0.4 or less.
The first dimensionless value y max represented by the ratio of the maximum back surface thickness y max that is the maximum value of the distance from the code to the maximum blade thickness t max that is the maximum value of the distance between the back surface and the abdominal surface. / t max is 0.36 or more 0.46 or less, and, second dimensionless value y f / y max represented by the ratio of the back front bulging amount y f with respect to the rear maximum thickness y max 0.62 Is equal to or greater than 0.76 (however, the back front bulge amount y f is defined as a distance x max from the front edge to the cord direction position of the cord direction position of the back surface having the maximum back surface thickness y max. The distance from the front edge is the distance from the cord to the back surface at a cord direction position of 0.3x max )
It has an airfoil.
本発明者らの鋭意検討の結果、上述した第1無次元値及び第2無次元値に関する条件を満たす前記翼型は高い設計揚力係数を有するという知見を得た。上記風車翼は、本発明者らのかかる知見に基づくものであり、翼型の工夫により、風車翼の空力性能の向上を図るものである。
すなわち、上記風車翼の前記翼型は、最大翼厚に対する背面最大厚みymaxの比(第1無次元値)を0.46以下に設定して翼型の背側への全体的な膨らみを抑えるとともに、背面最大厚みymaxに対する背面前方膨らみ量yfの比(第2無次元値)を0.76以下に設定して翼型の前縁側の局所的な(前縁〜xmaxまでの範囲の)形状の背側への膨らみを抑えている。このように、背面の全体的な膨らみ及び前縁側の局所的な背面形状の膨らみが抑えられることで、背面に沿った境界層(翼面近傍の流速が遅い領域の翼面法線方向の厚み)の発達が遅延し、後縁側における背面からの剥離(後縁剥離)が抑制され、揚力の向上が図れる。よって、上記翼型は、高い設計揚力係数を実現することができる。
さらに、上記風車翼の前記翼型は、最大翼厚に対する背面最大厚みymaxの比(第1無次元値)を0.36以上に設定して翼型の背側への全体的な膨らみをある程度確保するとともに、背面最大厚みymaxに対する背面前方膨らみ量yfの比(第2無次元値)を0.62以上に設定して翼型の前縁側の局所的な(前縁〜xmaxまでの範囲の)形状の背側への膨らみをある程度確保している。このように、背面の全体的な膨らみ及び前縁側の局所的な背面形状の膨らみをある程度確保することで、淀み点の直ぐ下流における剥離(前縁剥離)の影響による揚力低下を抑制できる。
したがって、上記風車翼の前記翼型は、第1無次元値及び第2無次元値に関する上述の条件を満たすから、高い設計揚力係数を有する。
ここで、風車ロータの半径Rに対する風車ロータの半径方向位置rの比が0.1以上0.4以下となる翼長方向領域では、上述した各種の理由からコード長に制約が課される傾向にあり、設計揚力係数を大きくしない限り、空力性能が低下してしまうのが通常である。すなわち、最適コード長に対するコード長の不足を設計揚力係数の向上により補わなければ、各半径位置について存在するコード長及び揚力係数の積の最適値からの乖離が大きくなり、高い翼効率(出力係数)を実現することは難しい。図14は、コード長及び揚力係数の積をその最適値で無次元化した値と出力係数Cpとの関係を示すグラフである。なお、図14において、λは周速比、Rは無次元化した半径位置、L/Dは揚抗比、C(r)は任意の半径位置におけるコード長、CLdesignは設計揚力係数、CLは揚力係数、[C(r)×CL]optimumはコード長及び揚力係数の積の最適値、Cpは出力係数である。同図に示すように、コード長及び揚力係数の積の最適値からの乖離が大きい場合、揚抗比(L/D)の大きさによらず、出力係数Cpは小さい。揚抗比(L/D)は、コード長及び揚力係数の積が最適値に十分に近づいてはじめて、出力係数Cpに実質的な影響を与える。このように、最適コード長に対するコード長の不足がある場合、揚抗比(L/D)ではなく、コード長の不足を設計揚力係数で補うことで、コード長及び揚力係数の積の最適値からの乖離を小さくすることが重要である。
この点、上記翼長方向領域内において設計揚力係数に優れた前記翼型を有する風車翼は、当該翼型が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数を増大させることができ、風車翼の空力性能を改善することができる。
As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that the airfoil satisfying the conditions relating to the first dimensionless value and the second dimensionless value described above has a high design lift coefficient. The wind turbine blade is based on such knowledge of the present inventors, and is intended to improve the aerodynamic performance of the wind turbine blade by improving the airfoil shape.
In other words, the airfoil of the wind turbine blade is configured such that the ratio of the maximum back thickness y max to the maximum blade thickness (first dimensionless value) is set to 0.46 or less to reduce the overall bulge to the back side of the airfoil. In addition, the ratio (second dimensionless value) of the back front bulge amount y f to the back maximum thickness y max is set to 0.76 or less, and the local (front edge to x max from the front edge to x max is set. The bulge to the back side of the shape is suppressed. In this way, the overall bulge on the back surface and the bulge of the local back surface shape on the leading edge side are suppressed, so that the boundary layer along the back surface (thickness in the blade surface normal direction in the region where the flow velocity near the blade surface is slow) ) Is delayed, peeling from the back surface on the trailing edge side (rear edge peeling) is suppressed, and lift can be improved. Thus, the airfoil can achieve a high design lift coefficient.
Furthermore, the airfoil of the wind turbine blade is configured such that the ratio of the maximum back thickness y max to the maximum blade thickness (first dimensionless value) is set to 0.36 or more so that the overall bulge toward the back side of the airfoil is increased. While securing a certain amount, the ratio (second dimensionless value) of the back front bulge amount y f to the back maximum thickness y max is set to 0.62 or more, and the airfoil front edge side local (front edge to x max The bulge to the back side of the shape is secured to some extent. Thus, by ensuring to some extent the overall bulge of the back surface and the bulge of the local back surface shape on the front edge side, it is possible to suppress a reduction in lift due to the effect of peeling (leading edge peeling) immediately downstream of the stagnation point.
Accordingly, the airfoil of the wind turbine blade has a high design lift coefficient because it satisfies the above-described conditions regarding the first dimensionless value and the second dimensionless value.
Here, in the blade length direction region where the ratio of the radial position r of the wind turbine rotor to the radius R of the wind turbine rotor is 0.1 or more and 0.4 or less, the cord length tends to be restricted for the various reasons described above. Therefore, unless the design lift coefficient is increased, the aerodynamic performance usually decreases. In other words, if the shortage of the code length with respect to the optimum code length is not compensated for by improving the design lift coefficient, the deviation from the optimum value of the product of the code length and the lift coefficient existing for each radial position will increase, resulting in high blade efficiency (output coefficient). ) Is difficult to achieve. Figure 14 is a graph showing the relation between the product of code length and the lift coefficient and the non-dimensional value in the optimum values and output the coefficient C p. In FIG. 14, λ is a circumferential speed ratio, R is a dimensionless radius position, L / D is a lift-drag ratio, C (r) is a cord length at an arbitrary radial position, CL design is a design lift coefficient, CL Is the lift coefficient, [C (r) × CL] optimum is the optimum value of the product of the code length and the lift coefficient, and C p is the output coefficient. As shown in the figure, when the deviation from the optimum value of the product of the cord length and the lift coefficient is large, the output coefficient C p is small regardless of the magnitude of the lift-drag ratio (L / D). The lift-drag ratio (L / D) has a substantial effect on the output coefficient Cp only after the product of the cord length and the lift coefficient is sufficiently close to the optimum value. As described above, when there is a shortage of the code length with respect to the optimum code length, the optimum value of the product of the code length and the lift coefficient is compensated by the design lift coefficient instead of the lift-drag ratio (L / D). It is important to reduce the deviation from.
In this regard, the wind turbine blade having the airfoil excellent in the design lift coefficient in the blade length direction region can increase the design lift coefficient in a region near the cord direction position where the airfoil is adopted, The aerodynamic performance of the wind turbine blade can be improved.
幾つかの実施形態では、前記第1無次元値ymax/tmaxが0.4以上0.46以下であり、前記第2無次元値yf/ymaxが0.63以上0.71以下である。また、一実施形態では、前記第2無次元値yf/ymaxが0.65以上0.69以下である。
このような数値範囲に第1無次元値及び第2無次元値を設定すれば、背面の全体的な膨らみ及び前縁側の局所的な背面形状の膨らみがより一層適度になり、後縁剥離及び前縁剥離が効果的に抑制され、翼型の設計揚力係数を増大することができる。
In some embodiments, the first dimensionless value y max / t max is not less than 0.4 and not more than 0.46, and the second dimensionless value y f / y max is not less than 0.63 and not more than 0.71. It is. Further, in one embodiment, the second dimensionless value y f / y max is 0.65 or more 0.69 or less.
If the first dimensionless value and the second dimensionless value are set in such a numerical range, the overall bulge of the back surface and the bulge of the local back surface shape on the front edge side become more appropriate, and trailing edge peeling and Lead edge separation is effectively suppressed and the design lift coefficient of the airfoil can be increased.
幾つかの実施形態において、前記翼型は、後縁が厚みを持つフラットバック翼型である。
このように、翼根部側に比較的近い領域において、後縁に厚みを持たせてフラットバック翼型とすることで、高い迎角まで失速を回避し、最大揚力係数を向上させることができる。すなわち、半径方向位置rの比が0.1以上0.4以下の翼長方向領域内における翼型をフラットバック翼型としたので、後縁の後流側のウェークに起因して発生する負圧により、背面における境界層の剥離を効果的に遅らせることができる。
In some embodiments, the airfoil is a flatback airfoil with a trailing edge having a thickness.
As described above, in the region relatively close to the blade root side, the trailing edge is thickened to form a flat back airfoil, so that stall can be avoided up to a high angle of attack and the maximum lift coefficient can be improved. That is, since the airfoil in the blade length direction region in which the ratio of the radial position r is 0.1 or more and 0.4 or less is a flat back airfoil, the negative pressure generated due to the wake on the downstream side of the trailing edge. The pressure can effectively delay the peeling of the boundary layer on the back surface.
幾つかの実施形態において、前記風車翼の前記翼型は、前記コードの長さCに対する前記最大翼厚tmaxの割合を示す翼厚比が0.35以上0.8以下である。 In some embodiments, the blade type of the wind turbine blade has a blade thickness ratio indicating a ratio of the maximum blade thickness t max to the length C of the cord of 0.35 or more and 0.8 or less.
本発明の幾つかの実施形態にかかる風車ロータは、
上記風車翼と、
前記風車翼が取り付けられるハブと、を備えることを特徴とする。
A wind turbine rotor according to some embodiments of the present invention includes:
The windmill wing,
And a hub to which the wind turbine blades are attached.
上記風車ロータは、上記翼長方向領域内において設計揚力係数に優れた前記翼型を有する風車翼を備えるので、当該翼型が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数を増大させることができ、風車翼の空力性能の改善、ひいては風車ロータの空力性能の改善に寄与する。 Since the wind turbine rotor includes the wind turbine blade having the airfoil having an excellent design lift coefficient in the blade length direction region, the design lift coefficient is increased in a region in the vicinity of the cord direction position where the airfoil is adopted. Therefore, it contributes to the improvement of the aerodynamic performance of the wind turbine blade, and consequently the aerodynamic performance of the wind turbine rotor.
前記風車ロータの直径が100m以上である。
上述したように、上記風車ロータによれば、前記翼型を備えるので、風車ロータの直径が100m以上である大型の風車翼においても、風車翼の空力性能の大幅な低下を招くことなく最大コード長の短縮化が可能となる。すなわち、風車翼のコード長の短縮化による空力性能の低下を、風車翼が有する翼型の設計揚力係数の増大で補うことができる。
The diameter of the windmill rotor is 100 m or more.
As described above, according to the wind turbine rotor, since the airfoil is provided, even in a large wind turbine blade having a wind turbine rotor diameter of 100 m or more, the maximum code can be obtained without causing a significant decrease in the aerodynamic performance of the wind turbine blade. The length can be shortened. That is, a decrease in aerodynamic performance due to a reduction in the cord length of the wind turbine blade can be compensated by an increase in the design lift coefficient of the airfoil possessed by the wind turbine blade.
本発明の幾つかの実施形態にかかる風力発電装置は、
上記風車ロータと、
前記風車ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機と、を備えることを特徴とする。
A wind power generator according to some embodiments of the present invention includes:
The windmill rotor,
And a generator for converting rotational energy of the windmill rotor into electric energy.
上記風力発電装置は風車ロータを備えており、該風車ロータは、上記翼長方向領域内において設計揚力係数に優れた前記翼型を有するので、当該翼型が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数を増大させることができ、風車翼の空力性能の改善、ひいては風車ロータの空力性能の改善に寄与する。 The wind turbine generator includes a wind turbine rotor, and the wind turbine rotor has the airfoil having an excellent design lift coefficient in the blade length direction region, so that the wind turbine rotor near the cord direction position where the airfoil is adopted. The design lift coefficient can be increased in the region, which contributes to the improvement of the aerodynamic performance of the wind turbine blade, and hence the improvement of the aerodynamic performance of the wind turbine rotor.
本発明の幾つかの実施形態によれば、風車翼の翼型が、上述した第1無次元値及び第2無次元値に関する条件を満たすことによって、高い設計揚力係数を実現することができる。そして、上記翼長方向領域内において設計揚力係数に優れた前記翼型を有する風車翼は、当該翼型が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数を増大させることができ、風車翼の空力性能を改善することができる。 According to some embodiments of the present invention, it is possible to achieve a high design lift coefficient by satisfying the conditions related to the first dimensionless value and the second dimensionless value described above. The wind turbine blade having the airfoil having an excellent design lift coefficient in the blade length direction region can increase the design lift coefficient in a region in the vicinity of the cord direction position where the airfoil is adopted. The aerodynamic performance of the wing can be improved.
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples.
図1は、幾つかの実施形態に係る風力発電装置100を示す構成図である。
図1に示す風力発電装置100は、少なくとも1本の風車翼2及び風車翼2が取り付けられるハブ4を含む風車ロータ6と、風車ロータ6の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機8と、風車ロータ6及び発電機8を支持するナセル10と、ナセル10を旋回自在に支持するタワー12とを備えている。図1に示す例示的な風車ロータ6は、3本の風車翼2を有している。風車ロータ6の直径は、幾つかの実施形態では100m以上であり、一実施形態では150m以上である。なお、本実施形態では、図1に示す風車ロータ6の回転中心Oから風車翼2の翼先端部14までの距離を風車ロータ6の半径Rとし、風車ロータ6の任意の点Pにおける半径方向位置r(風車ロータ6の回転中心Oから点Pまでの半径方向距離)とする。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a
A
図2は、幾つかの実施形態に係る風車翼2の概略斜視図であり。図3は、図2に示す風車翼2の翼長方向領域Aにおける断面図(断面S)である。
図2及び図3に示すように、風車翼2は、翼先端部14と、ハブ4(図1参照)に連結される翼根部16とを含む。また、風車翼2は、翼根部16から翼先端部14にかけて、前縁(leading edge)18と後縁(trailing edge)20とを有する。また、風車翼2の外形は、腹面(圧力側:pressure side)22と、腹面22に対向する背面(吸引側:suction side)24とによって形成される。
なお、実施形態では、後縁20とは、翼型30がフラットバック型でない場合は鋭角の内角を形成する背面24と腹面22との交点をいい、翼型30’がフラットバック翼型(図4参照)である場合は背面24の後端と腹面22の後端との中点をいう。また、前縁18とは、前述のように定義される後縁20からの距離が最も遠い点をいう。
FIG. 2 is a schematic perspective view of the
As shown in FIGS. 2 and 3, the
In the embodiment, the trailing
幾つかの実施形態では、風車翼2は、風車ロータ6の半径Rに対する風車ロータ6の半径方向位置rの比(r/R)が0.1以上0.4以下となる翼長方向領域Aにおいて、後述の条件を満たす翼型30を有する。また、一実施形態において、翼型30は、コード長Cに対する最大翼厚tmaxの割合を示す翼厚比が0.35以上0.8以下である。
In some embodiments, the
ここで、図3を参照して、本実施形態で用いる用語について説明する。なお、図3では、翼型30のコード26に沿った方向をx座標で表し、翼型30の厚さ方向をy座標で表している。さらに同図では、前縁18のx座標を0としている。
図3に示す翼型30において、前縁18と後縁20とを結ぶ線をコード26とする。コード26のコード長Cは、前縁18から後縁20までのコード26に沿った長さである。また、背面24と腹面22とのコード直交方向における距離の最大値を最大翼厚tmaxとし、コード26から背面24までのコード直交方向における距離の最大値を背面最大厚みymaxとする。そして、背面24と腹面22との距離の最大値である最大翼厚tmaxに対する、前縁18と後縁20とを結ぶコードCから背面24までの距離の最大値である背面最大厚みymaxの比ymax/tmaxを第1無次元値と称する。この第1無次元値は、翼型30の背側への全体的な膨らみを示す指標である。
さらに、背面最大厚みymaxを有するコード方向位置を、前縁18から該コード方向位置までの距離xmaxで定義する。すなわち、背面最大厚みymaxを有する背面24のコード方向位置のx座標がxmaxである。さらにまた、前縁18からの距離が0.3xmaxのコード方向位置におけるコード26から背面24までのコード直交方向における距離を、背面前方膨らみ量yfとする。そして、背面最大厚みymaxに対する背面前方膨らみ量yfの比yf/ymaxを第2無次元値と称する。この第2無次元値は、翼型30の前縁側の局所的な(前縁18〜xmaxまでの範囲の)形状の背側への膨らみを示す指標である。
Here, the terms used in the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the direction along the
In the
Further, a cord direction position having the maximum back surface thickness y max is defined by a distance x max from the leading
図4は、他の実施形態におけるフラットバック翼型30’の断面図である。なお、同図において、図3に示した翼型30は破線で示している。
他の実施形態において、翼型30’は、後縁20が厚みを持つフラットバック翼型となっている。この翼型30’の後縁20は、後縁厚tTEを有している。また、前縁18と後縁20(正確には、後縁面の翼厚方向における中点)とを結ぶコード26は、コード長Cを有している。
なお、翼型30’は、後縁20が厚みを持つ構成である他は、図3に示した翼型30と同一の構成を有するため、詳細な説明は省略する。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a
In other embodiments, the
The
図5は、第2無次元値の物理的意味を説明するための図である。同図に示すように、半径がxmaxの正円の場合、第2象限における円弧とy軸に対して45度傾斜した直線との交点Mは、y座標が約0.7ymax(正確にはsin45°×ymax≒0.707ymax)であり、且つ、当該円弧がx軸と交わる点Nからx方向に約0.3xmax(正確にはcos45°×xmax≒0.292xmax)だけ離れた位置にある。よって、図5の左側に示す半長径a(=xmax)及び半短径b(=ymax)を有する部分的な楕円の場合においても、当該部分的な楕円とx軸との交点N’からx方向に0.3xmaxだけ離れた位置におけるy座標yfは約0.7ymaxになるはずである。よって、楕円を基準として膨らみが過大である場合には、第2無次元値yf/ymaxは0.7よりも大きくなる傾向にある。逆に、楕円を基準として膨らみが過小である場合には、第2無次元値yf/ymaxは0.7よりも小さくなる傾向にある。このように、翼型30,30’の前縁側における背面24の形状を評価する指標として第2無次元値yf/ymaxを採用すれば、翼型30,30’の前縁側の局所的な(前縁18〜xmaxまでの範囲の)形状の背側への膨らみを表すことができる。
FIG. 5 is a diagram for explaining the physical meaning of the second dimensionless value. As shown in the figure, when the radius of a circle of x max, intersection M between the straight line inclined 45 degrees with respect to the arc and the y-axis in the second quadrant, y coordinate of about 0.7y max (accurately is sin45 ° × y max ≒ 0.707y max ), and, about 0.3x max from point N to which the arc intersects the x-axis in the x direction (more precisely, cos45 ° × x max ≒ 0.292x max ) Only a distance away. Therefore, even in the case of a partial ellipse having the semi-major axis a (= x max ) and the semi-minor axis b (= y max ) shown on the left side of FIG. 5, the intersection point N ′ between the partial ellipse and the x axis. The y coordinate y f at a position separated by 0.3x max in the x direction should be about 0.7 y max . Therefore, when the bulge is excessive on the basis of the ellipse, the second dimensionless value y f / y max tends to be larger than 0.7. Conversely, when the bulge is excessively small with respect to the ellipse, the second dimensionless value y f / y max tends to be smaller than 0.7. As described above, if the second dimensionless value y f / y max is used as an index for evaluating the shape of the
図6は、幾つかの実施形態における翼型30,30’の第1無次元値及び第2無次元値に対する範囲を示す図である。
幾つかの実施形態に係る風車翼2は、図2に示す風車翼2の翼長方向領域A内において、第1無次元値及び第2無次元値に関する以下の条件を全て満たす翼型30,30’を有する。
FIG. 6 is a diagram illustrating ranges for the first dimensionless value and the second dimensionless value of the
The
幾つかの実施形態において、翼型30,30’は、第1無次元値ymax/tmaxが0.36以上0.46以下であり、且つ、第2無次元値yf/ymaxが0.62以上0.76以下である。すなわち、翼型30,30’の第1無次元値及び第2無次元値によって表される座標が図6に示す第1範囲内に含まれる。
このような第1無次元値及び第2無次元値に関する条件を満たす翼型30,30’は、本発明者らの知見によれば、高い設計揚力係数CLdesignを有する。
In some embodiments, the
According to the knowledge of the present inventors, the
ここで、設計揚力係数CLdesignとは、最大揚抗比が実現される最適迎え角に対応した揚力係数である。このことについて、図7及び図8を用いて説明する。
図7及び8は、設計揚力係数CLdesignを説明するための図であり、図7は迎え角に対する揚力係数の関係を示しており、図8は迎え角に対する揚抗比の関係を示している。
設計揚力係数CLdesignとは、図7に示す迎え角と揚力係数との関係において、揚抗比L/Dが最大となる迎え角(図8に示す最適迎え角)に対応する揚力係数CLである。典型的な可変速風車の場合、可変速運転時には最適迎え角が実現されるように運転を行うようになっているから、設計揚力係数CLdesignは風力発電装置100の可変速運転時における性能を左右する。
なお、典型的な可変速風車において、最適迎え角よりも迎え角が大きくなってしまう定格風速以上の風速域では、高い迎え角まで失速せずに、揚力を維持できることが望まれる。このような高風速域における風力発電装置の性能を左右するのが、図7に示す最大揚力係数CLmaxである。
Here, the design lift coefficient CL design is a lift coefficient corresponding to the optimum angle of attack at which the maximum lift-drag ratio is realized. This will be described with reference to FIGS.
7 and 8 are diagrams for explaining the design lift coefficient CL design . FIG. 7 shows the relationship of the lift coefficient to the angle of attack, and FIG. 8 shows the relationship of the lift-drag ratio to the angle of attack. .
The design lift coefficient CL design is a lift coefficient CL corresponding to the angle of attack (the optimum angle of attack shown in FIG. 8) at which the lift-drag ratio L / D is maximum in the relationship between the angle of attack and the lift coefficient shown in FIG. is there. In the case of a typical variable speed windmill, since the optimum angle of attack is operated during variable speed operation, the design lift coefficient CL design indicates the performance of the
In a typical variable speed wind turbine, it is desired that the lift can be maintained without stalling to a high angle of attack in a wind speed region above the rated wind speed at which the angle of attack is greater than the optimum angle of attack. The maximum lift coefficient CL max shown in FIG. 7 affects the performance of the wind turbine generator in such a high wind speed region.
翼型30,30’では、最大翼厚tmaxに対する背面最大厚みymaxの比(第1無次元値)を0.46以下に設定して翼型30,30’の背側への全体的な膨らみを抑えるとともに、背面最大厚みymaxに対する背面前方膨らみ量yfの比(第2無次元値)を0.76以下に設定して翼型30,30’の前縁18側の局所的な(前縁〜xmaxまでの範囲の)形状の背側への膨らみを抑えている。このように、背面24の全体的な膨らみ及び前縁18側の局所的な背面形状の膨らみが抑えられ、背面24に沿った境界層(翼面近傍の流速が遅い領域の翼面法線方向の厚み)の発達が遅延し、後縁20側における背面24からの剥離(後縁剥離)が抑制され、揚力の向上が図れる。よって翼型30,30’は、高い設計揚力係数CLdesign及び最大揚力係数CLmaxを実現することができる。
さらに、翼型30,30’は、最大翼厚tmaxに対する背面最大厚みymaxの比(第1無次元値)を0.36以上に設定して翼型30,30’の背側への全体的な膨らみをある程度確保するとともに、背面最大厚みymaxに対する背面前方膨らみ量yfの比(第2無次元値)を0.62以上に設定して翼型30,30’の前縁18側の局所的な(前縁〜xmaxまでの範囲の)形状の背側への膨らみをある程度確保している。このように、背面24の全体的な膨らみ及び前縁18側の局所的な背面形状の膨らみをある程度確保することで、淀み点の直ぐ下流における剥離(前縁剥離)の影響による揚力低下を抑制できる。
このように、風車翼2の翼型30,30’は、第1無次元値及び第2無次元値に関する上述の条件を満たすから、高い設計揚力係数CLdesign及び最大揚力係数CLmaxを有する。
'In, set the ratio of the rear maximum thickness y max for the maximum blade thickness t max (the first dimensionless value) to 0.46
Furthermore,
Thus, since the
ところで、風車ロータ6の半径Rに対する風車ロータ6の半径方向位置rの比が0.1以上0.4以下となる翼長方向領域Aではコード長に制約が課される傾向にある。このことについて図9を用いて説明する。
図9は、無次元半径位置A(=r/R)に対するコード長分布を示す図である。同図に示すように、典型的な風車翼では、0.1≦r/R≦0.4の翼長方向領域Aの内側又はその近傍に最大コード長Cを有する。仮に設計揚力係数CLdesignが一定であるとした場合、最適な空力性能を実現するためには、図9の破線で示すように、無次元半径位置r/Rとコード長Cとが反比例の相関を有する必要がある。典型的な風車翼では、最大コード長位置付近の領域において、図9の破線で示す最適コード長分布に対してコード長Cが不足している。これは、風車翼の長翼化に伴う諸問題(風車翼の重量増大、風車翼の製造性や輸送性の低下、風力発電装置の運用性の低下等)を解決するために、最大コード長に制約が課されるためである。
このように、風車ロータ6の半径Rに対する風車ロータ6の半径方向位置rの比が0.1以上0.4以下となる翼長方向領域では、コード長Cに制約が課される傾向にある結果、最適コード長分布に対してコード長Cが不足しがちである。
By the way, in the blade length direction region A in which the ratio of the radial position r of the wind turbine rotor 6 to the radius R of the wind turbine rotor 6 is 0.1 or more and 0.4 or less, the cord length tends to be restricted. This will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a code length distribution with respect to a dimensionless radius position A (= r / R). As shown in the figure, a typical wind turbine blade has a maximum cord length C inside or in the vicinity of a blade length direction region A of 0.1 ≦ r / R ≦ 0.4. Assuming that the design lift coefficient CL design is constant, in order to achieve optimum aerodynamic performance, the dimensionless radial position r / R and the code length C have an inversely proportional correlation as shown by the broken line in FIG. It is necessary to have. In a typical wind turbine blade, the code length C is insufficient with respect to the optimum code length distribution indicated by the broken line in FIG. 9 in the region near the maximum code length position. In order to solve various problems associated with the increase in wind turbine blade length (increased weight of the wind turbine blade, decrease in manufacturability and transportability of the wind turbine blade, decrease in operability of the wind turbine generator, etc.) This is because restrictions are imposed on the system.
Thus, in the blade length direction region where the ratio of the radial position r of the wind turbine rotor 6 to the radius R of the wind turbine rotor 6 is 0.1 or more and 0.4 or less, the cord length C tends to be restricted. As a result, the code length C tends to be insufficient with respect to the optimal code length distribution.
この点、本実施形態に係る風車翼2は、上述のように設計揚力係数CLdesignに優れた翼型30,30’を0.1≦r/R≦0.4の翼長方向領域内において有するから、最適コード長分布に対するコード長Cの不足に起因した空力性能の低下を抑制することができる。
In this respect, the
幾つかの実施形態では、翼型30,30’が、第1無次元値ymax/tmaxが0.4以上0.46以下であり、第2無次元値yf/ymaxが0.63以上0.71以下である。すなわち、翼型30,30’の第1無次元値及び第2無次元値によって表される座標が図6に示す第2範囲内に含まれる。
また、一実施形態では、翼型30,30’が、第2無次元値yf/ymaxが0.65以上0.69以下である。すなわち、翼型30,30’の第2無次元値によって表される座標が図6に示す第3範囲内に含まれる。
これらの数値範囲に第1無次元値及び第2無次元値を設定すれば、背面24の全体的な膨らみ及び前縁18側の局所的な背面形状の膨らみがより一層適度になり、後縁剥離及び前縁剥離が効果的に抑制され、翼型30,30’の設計揚力係数CLdesignを増大することができる。
In some embodiments, the
Further, in one embodiment,
If the first dimensionless value and the second dimensionless value are set in these numerical ranges, the overall bulge of the
ここで、第1無次元値及び第2無次元値の上記条件が翼型30,30’の設計揚力係数の向上に寄与することを本発明者らが見出すに至るまでの考察の経過について、図10〜13を用いて説明する。
Here, regarding the progress of the discussion until the present inventors have found that the above-described conditions of the first dimensionless value and the second dimensionless value contribute to the improvement of the design lift coefficient of the
図10Aは、第2無次元値の大きさをx軸とし、第1無次元値の大きさをy軸とするグラフである。同図において、点40は、典型的な風車翼における翼厚比40%の翼型(以下、基準翼型と称する。)を示している。図10Aに示すように、基準翼型40よりも小さくする方向に第1無次元値を変化させた場合における設計揚力係数に与える影響を示したのが図10Bである。図10Bに示すように、基準翼型40に比べて設計揚力係数CLdesignが高くなる第1無次元値の範囲が見出された。とりわけ、第1無次元値が0.38≦ymax/tmax≦0.47である範囲は、設計揚力係数CLdesignが基準翼型40に比べて著しく向上することが明らかになった。さらに、この計算条件においては、第1無次元値が0.40≦ymax/tmax≦0.46である範囲内で設計揚力係数CLdesignが最大値を迎えることが明らかになった。
続いて、かかる第1無次元値の範囲(0.40≦yf/ymax≦0.46)において、基準翼型40よりも小さくする方向に第2無次元値を変化させる様子を示したのが図11Aである。図11Bは、第2無次元値の変化が設計揚力係数に与える影響を示す図である。同図に示すように、設計揚力係数CLdesignが高くなる第2無次元値の範囲が見出された。とりわけ、第2無次元値が0.63≦yf/ymax≦0.71である範囲は、設計揚力係数CLdesignが基準翼型40に比べて著しく向上した。さらに、この計算条件においては、第2無次元値が0.65≦yf/ymax≦0.69である範囲内で設計揚力係数CLdesignが最大値を迎えることが明らかになった。
FIG. 10A is a graph in which the magnitude of the second dimensionless value is the x axis and the magnitude of the first dimensionless value is the y axis. In the figure, a
Subsequently, in the first dimensionless value range (0.40 ≦ y f / y max ≦ 0.46), the second dimensionless value is changed in a direction to be smaller than the
一方、図12Aは、第2無次元値の大きさをx軸とし、第1無次元値の大きさをy軸とするグラフである。同図において、点40は、上述の基準翼型を表している。図12Aに示すように、基準翼型40よりも小さくする方向に第2無次元値を変化させた場合における設計揚力係数に与える影響を示したのが図12Bである。図12Bに示すように、本計算条件下では、設計揚力係数CLdesignが改善される第2無次元値の明確な範囲を見出すことはできなかった。
そこで、第2無次元値の広い範囲(0.62≦yf/ymax≦0.75)について、基準翼型40よりも小さくする方向に第1無次元値を変化させる様子を示したのが図13Aである。図13Bは、第1無次元値の変化が設計揚力係数に与える影響を示す図である。同図に示すように、設計揚力係数CLdesignが高くなる第1無次元値の範囲が見出された。とりわけ、第1無次元値が0.38≦ymax/tmax≦0.46である範囲で、設計揚力係数CLdesignが基準翼型40に比べて著しく向上した。
On the other hand, FIG. 12A is a graph in which the magnitude of the second dimensionless value is taken as the x axis and the magnitude of the first dimensionless value is taken as the y axis. In the figure, a
Therefore, it has been shown that the first dimensionless value is changed in a direction to make it smaller than the
本発明者らによる以上の考察過程から、本実施形態における第1無次元値及び第2無次元値の上述の条件が設計揚力係数増大に寄与し得ることが明らかになった。 From the above consideration process by the present inventors, it has become clear that the above-described conditions of the first dimensionless value and the second dimensionless value in the present embodiment can contribute to an increase in the design lift coefficient.
以上説明したように、上述の実施形態によれば、風車翼2の翼型30,30’が、上述した第1無次元値及び第2無次元値に関する条件を満たすことによって、高い設計揚力係数CLdesign及び最大揚力係数CLmaxを実現することができる。そして、上記翼長方向領域A内において設計揚力係数CLdesign及び最大揚力係数CLmaxに優れた前記翼型30,30’を有する風車翼2は、当該翼型30,30’が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数CLdesign及び最大揚力係数CLmaxを増大させることができ、風車翼2の空力性能を改善することができる。
また、翼根部16側に比較的近い領域において、後縁20に厚みを持たせてフラットバック翼型(図4参照)とすれば、高い迎角まで失速を回避し、最大揚力係数CLmaxを向上させることができる。すなわち、半径方向位置rの比が0.1以上0.4以下の翼長方向領域内における翼型30’をフラットバック翼型としたので、後縁20の後流側のウェークに起因して発生する負圧により、背面24における境界層の剥離を効果的に遅らせることができる。
As described above, according to the above-described embodiment, a high design lift coefficient is obtained when the
Further, in the region relatively close to the
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this, In the range which does not deviate from the summary of this invention, various improvement and deformation | transformation may be performed.
2 風車翼
4 ハブ
6 風車ロータ
8 発電機
10 ナセル
12 タワー
14 翼先端部
16 翼根部
18 前縁
20 後縁
22 腹面
24 背面
30,30’ 翼型
40 基準翼型
100 風力発電装置
A 翼長方向領域
C コード長
CLdesign 設計揚力係数
CLmax 最大揚力係数
tmax 最大翼厚
yf 背面前方膨らみ量
ymax 面最大厚み
ymax/tmax 第1無次元値
yf/ymax 第2無次元値
2
Claims (6)
前記風車翼は、前記風車ロータの半径Rに対する前記風車ロータの半径方向位置rの比が0.1以上0.4以下となる前記風車翼の翼長方向領域内のコード長が最大となる位置において、
前記背面と前記腹面との距離の最大値である最大翼厚tmaxに対する、コードから前記背面までの距離の最大値である背面最大厚みymaxの比によって表される第1無次元値ymax/tmaxが0.36以上0.46以下であり、且つ、前記背面最大厚みymaxに対する背面前方膨らみ量yfの比によって表される第2無次元値yf/ymaxが0.62以上0.76以下である(但し、前記背面前方膨らみ量yfは、前記背面最大厚みymaxを有する前記背面のコード方向位置を前縁から該コード方向位置までの距離xmaxで定義したとき、前記前縁からの距離が0.3xmaxのコード方向位置における前記コードから前記背面までの距離である)
翼型を有するとともに、
前記風車ロータの直径が100m以上であり、
前記翼型の翼厚比が0.35以上0.8以下である
ことを特徴とする風車ロータ用の風車翼。 A wind turbine blade for a wind turbine rotor having a back surface and an abdominal surface facing each other,
The wind turbine blade has a maximum cord length in a blade length direction region of the wind turbine blade where a ratio of a radial position r of the wind turbine rotor to a radius R of the wind turbine rotor is 0.1 or more and 0.4 or less. In
The first dimensionless value y max represented by the ratio of the maximum back surface thickness y max that is the maximum value of the distance from the code to the maximum blade thickness t max that is the maximum value of the distance between the back surface and the abdominal surface. / t max is 0.36 or more 0.46 or less, and, second dimensionless value y f / y max represented by the ratio of the back front bulging amount y f with respect to the rear maximum thickness y max 0.62 Is equal to or greater than 0.76 (however, the back front bulge amount y f is defined as a distance x max from the front edge to the cord direction position of the cord direction position of the back surface having the maximum back surface thickness y max. The distance from the front edge is the distance from the cord to the back surface at a cord direction position of 0.3x max )
Having an airfoil ,
The wind turbine rotor has a diameter of 100 m or more;
A wind turbine blade for a wind turbine rotor, wherein the blade thickness ratio of the airfoil is 0.35 or more and 0.8 or less .
前記第2無次元値yf/ymaxが0.63以上0.71以下であることを特徴とする請求項1に記載の風車ロータ用の風車翼。 The first dimensionless value y max / t max is not less than 0.4 and not more than 0.46;
2. The wind turbine blade for a wind turbine rotor according to claim 1, wherein the second dimensionless value y f / y max is 0.63 or more and 0.71 or less.
前記風車翼が取り付けられるハブと、を備えることを特徴とする風車ロータ。 The wind turbine blade according to any one of claims 1 to 4 ,
And a hub to which the wind turbine blades are attached.
前記風車ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機と、を備えることを特徴とする風力発電装置。 A wind turbine rotor according to claim 5 ;
And a generator for converting rotational energy of the windmill rotor into electric energy.
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